Многоступенчатый центробежный насос Российский патент 2023 года по МПК F04D29/22 

Изобретение относится к области гидромашиностроения, а именно к многоступенчатым высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в насосах для перекачивания питательной воды на ТЭЦ, а также на ТЭС и АЭС с энергоблоками мощностью 200-1200 МВт.

Известен многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с упорным торцовым буртом, напорную крышку, проточную часть, упирающуюся в опорный торцовый бурт на корпусе насоса и образованную соединенными в общий блок ступенями, состоящими из секций, рабочих колес и лопаточных (кроме последнего) направляющих аппаратов, направляющий аппарат последней ступени имеет трубчатую конструкцию, совмещен с последней секцией, по торцовой поверхности, со стороны напорной крышки, трубчатый направляющий аппарат (ТНА) последней ступени упирается в пружинные узлы, состоящие из винтовых цилиндрических пружин, пружинные узлы расположены в глухих отверстиях напорной крышки, обеспечивая предварительное поджатие проточной части к упорному торцовому бурту корпуса насоса при сборке насоса, и уплотнение по торцовому бурту, исключая перетечку жидкости из области высокого давления за ТНА последней ступени в область низкого давления за 1-ой ступенью насоса, на режимах пуска и останова насоса / Богун B.C., Алексенский В.А. Разработка конструкции конкурентоспособного питательного насоса для ТЭС с энергоблоками мощностью 250, 300 и 330 МВт: Энергетик, 2019, №9, с. 31-35, рис. 2 /. Данная конструкция насоса принята за прототип изобретения.

Недостатками указанного насоса являются:

- наличие глухих отверстий в напорной крышке насоса для расположения пружинных узлов, что снижает прочность крышки;

- использование в пружинном узле винтовой цилиндрической пружины обеспечивает небольшую жесткость пружинного узла (или требует применения большого количества пружинных узлов), что создает недостаточную осевую силу для предварительного поджатая проточной части к упорному торцовому бурту корпуса насоса при сборке и недостаточной надежности уплотнения по торцовому бурту, для исключения перетечки жидкости из области высокого давления за ТНА последней ступени в область низкого давления за 1-ой ступенью насоса, на режимах пуска и останова насоса, снижая тем самым надежность насоса в целом;

- примененный в последней ступени насоса ТНА не оптимизирован в геометрии своей проточной части, что не обеспечивает оптимальный гидравлический КПД ТНА последней ступени и КПД насоса в целом.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, является повышение прочности напорной крышки насоса, повышение жесткости пружинного узла и величины осевой силы для предварительного поджатая проточной части к упорному торцовому бурту корпуса насоса при сборке и для надежности уплотнения по торцовому бурту, для исключения перетечки жидкости из области высокого давления за ТНА последней ступени в область низкого давления за 1-ой ступенью насоса, на режимах пуска и останова насоса, что повышает надежность насоса, а также оптимизация геометрии проточной части ТНА последней ступени для получения его оптимального гидравлического КПД и КПД насоса в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с опорным торцовым буртом, напорную крышку, проточную часть, упирающуюся в опорный торцовый бурт на корпусе насоса и образованную соединенными в общий блок ступенями, состоящими из секций, рабочих колес и лопаточных, кроме последнего, направляющих аппаратов, направляющий аппарат последней ступени имеет трубчатую конструкцию, совмещен с последней секцией, по торцовой поверхности, со стороны напорной крышки насоса, ТНА последней ступени упирается в пружинные узлы, состоящие из винтовых цилиндрических пружин, пружинные узлы расположены в глухих отверстиях напорной крышки, согласно изобретению, пружинные узлы расположены в глухих отверстиях на торцовой поверхности ТНА последней ступени со стороны напорной крышки насоса и упираются в торцовую поверхность напорной крышки, пружинные узлы состоят их пакетов тарельчатых пружин, причем последняя ступень насоса выполнена с коэффициентом быстроходности в диапазоне nS=60…120, при этом соотношение диаметра входа в цилиндрические каналы ТНА к наружному диаметру рабочего колеса (D₃/D₂) варьируется в пределах 1,02…1,04, цилиндрический участок канала ТНА с диаметром d₀ и длиной L₀, связан соотношением L₀/d₀=0,7…1,0, соотношение диаметра выхода из каналов ТНА направляющего аппарата к наружному диаметру рабочего колеса (D₄/D₂) варьируется в пределах 1,7…2,1, а значения угла диффузорности конических отверстий в ТНА находится в диапазоне α_диф=4…5°, соотношение площадей выходного и входного сечений конических отверстий в ТНА варьируется в пределах 2,2…2,6.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - многоступенчатый центробежный насос, продольный разрез; на фиг. 2 - теоретический чертеж ТНА последней ступени, вид в плане.

Многоступенчатый центробежный насос содержит корпус 1 (фиг. 1) с упорным торцовым буртом 2, напорную крышку 3, проточную часть 4, упирающуюся в опорный торцовый бурт 2 на корпусе 1 насоса и образованную соединенными в общий блок ступенями 5, состоящими из секций 6, рабочих колес 7 и лопаточных, кроме последнего, направляющих аппаратов 8, ТНА 9 последней ступени совмещен с последней секцией 10. На торцовой поверхности ТНА 9 последней ступени со стороны напорной крышки 3 насоса выполнены глухие отверстия 11, в которых расположены пружинные узлы 12, состоящие из пакетов тарельчатых пружин, упирающихся в торцовую поверхность напорной крышки 3 насоса, для предварительного поджатия проточной части 4 к упорному торцовому бурту 2 корпуса 1 насоса при сборке, и уплотнения по торцовому бурту 2, для исключения перетечки жидкости между торцовым буртом 2 корпуса 1 и проточной частью 4 из области высокого давления 13 за ТНА 9 последней ступени 10 в область низкого давления 14 за 1-ой ступенью 15 насоса, на режимах пуска и останова насоса.

причем последняя ступень насоса выполнена с коэффициентом быстроходности в диапазоне n_s=60…120,

ТНА 9 (фиг. 2) последней ступени насоса выполнена с коэффициентом быстроходности в диапазоне n_s=60…120, характерных для центробежных многоступенчатых питательных насосов. Количество каналов 16 в ТНА 9 и площадь входа в канал (πd₀²/4, где d₀ - диаметр входа в цилиндрический участок входа в ТНА) принимаются, как в предыдущем лопаточном направляющем аппарате 8 (фиг. 1). Ввиду входа потока жидкости в каналы 16 ТНА (фиг. 2) по эллиптической кромке снижаются пульсации давления на входе ТНА, в результате появляется возможность минимизировать радиальный зазор между выходом из рабочего колеса 17 и входом в ТНА (D₃/D₂=1,02…1,04), что повышает гидравлический КПД ТНА. Цилиндрический участок канала ТНА с диаметром d₀ и длиной L₀ связаны соотношением L₀/d₀=0,7…1,0, для равномерного формирования потока перед коническим диффузором. Учитывая, что ТНА 9 (фиг. 1) совмещен с секцией 10 последней ступени, появляется возможность использовать весь радиальный габарит секции 10: соотношение диаметра выхода из конических каналов к наружному диаметру рабочего колеса 17 (D₄/D₂) (фиг. 2) варьируется в пределах 1,7…2,1 и оптимизировать значение угла диффузорности конических каналов ТНА в диапазоне α_диф=4…5°, для повышения гидравлического КПД ТНА и насоса в целом. При этом, соотношение площадей выходного и входного сечений конических отверстий варьируется в пределах 2,2…2,6.

Многоступенчатый центробежный насос работает следующим образом. При сборке насоса проточная часть 4, и образованная соединенными в общий блок ступенями 5, состоящими из секций 6, рабочих колес 7 и лопаточных (кроме последнего) направляющих аппаратов 8, заводится в корпус 1 насоса и упирается в упорный торцовый бурт 2 в корпусе насоса. Напорная крышка 3, закрепляется на корпусе 1 и внутренней торцовой поверхностью упирается в пружинные узлы 12, состоящие из пакетов тарельчатых пружин и расположенные в глухих отверстиях 11 на торцовой поверхности ТНА 9. Пружинные узлы 12 с пакетами тарельчатых пружин компактны, обладают большой жесткостью (так, в равных габаритах жесткость такого узла в 3-4 раза больше, чем пружинный узел с винтовой цилиндрической пружиной) и создают осевое усилие для предварительного прижатия проточной части 4 к упорному бурту 2 корпуса 1 насоса.

Насос заполняется водой. В первые мгновения пуска (возможны нестационарные процессы с пульсациями давления в проточной части 4 насоса) возникает перепад давления жидкости между зоной высокого давления 13 за ТНА 9 и зоной более низкого давления 14 за 1-ой ступенью 15 насоса. Наличие предварительного прижатия пружинными узлами 12 проточной части 4 к упорному бурту 2 корпуса 1 насоса исключает перетечку жидкости из зоны 13 в зону 14. При дальнейшем увеличении частоты вращения насоса величины давления жидкости в зонах 13 и 14 увеличиваются пропорционально квадрату от частоты вращения насоса. На проточную часть 4 начинает дополнительно действовать возрастающая осевая сила, направленная в сторону упорного бурта 2, надежно исключая перетечку жидкости из зоны 13 в зону 14. В последние мгновения остановки насоса процесс развивается в обратном порядке.

ТНА работает следующим образом. Поток жидкости после рабочего колеса 7 последней ступени насоса поступает в кольцевой безлопаточный зазор между РК 7 и ТНА 9 (фиг. 2). Ввиду входа потока жидкости в каналы ТНА 9 по эллиптической кромке снижаются пульсации давления на входе ТНА, в результате появляется возможность минимизировать радиальный зазор между выходом из рабочего колеса 17 и входом в ТНА (D₃/D₂=1,02…1,04), что повышает гидравлический КПД ТНА. Далее поток жидкости попадает в цилиндрический участок канала ТНА 9 с диаметром d₀ и длиной L₀, причем оптимально L₀/d₀=0,7…1,0, для равномерного формирования потока перед коническим диффузором. Затем поток жидкости входит в конический диффузор ТНА при оптимальном угле диффузорности α_диф=4…5°, соотношение диаметра выхода из конических каналов к наружному диаметру рабочего колеса (D₄/D₂) варьируется в пределах 1,7…2,1, используя весь радиальный габарит секции 10 и, обеспечивая соотношение площадей выходного и входного сечений конических каналов 16 в пределах 2,2…2,6. Рекомендации приведенных соотношений элементов проточной части ТНА получены на основании вариантных расчетов пространственного течения жидкости методами вычислительной гидродинамики. Решение осуществлялось в нестационарной постановке. Для замыкания системы уравнений Рейнольдса использовалась SST модель турбулентности.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует, что заявленное изобретение при его использовании выполняет следующие поставленные задачи:

- повышение прочности крышки насоса;

- повышение надежности работы насоса путем повышения жесткости пружинного узла и величины осевой силы для предварительного поджатия проточной части к упорному торцовому бурту корпуса насоса при сборке и для надежности уплотнения по торцовому бурту, для исключения перетечки жидкости из области высокого давления за ТНА направляющим аппаратом последней ступени в область низкого давления за 1-ой ступенью насоса на режимах пуска и останова насоса;

- получение оптимального гидравлического КПД ТНА последней ступени и КПД насоса в целом, путем оптимизации геометрии проточной части ТНА.

Изобретение относится к области гидромашиностроения, а именно к многоступенчатым высоконапорным центробежным насосам, и может быть использовано в насосах для перекачивания питательной воды на ТЭЦ, а также на ТЭС и АЭС с энергоблоками мощностью 200-1200 МВт. Задачами, на решение которых направлено изобретение, является повышение прочности напорной крышки насоса, повышение жесткости пружинного узла и величины осевой силы для предварительного поджатия проточной части к упорному торцовому бурту корпуса насоса и для надежности уплотнения по торцовому бурту, для исключения перетечки жидкости из области высокого давления за ТНА последней ступени в область низкого давления за 1-й ступенью насоса на режимах пуска и останова насоса, что повышает надежность насоса, а также оптимизация геометрии проточной части ТНА последней ступени для получения его оптимального гидравлического КПД и КПД насоса в целом. Указанный технический результат достигается тем, что многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с опорным торцовым буртом, напорную крышку, проточную часть, упирающуюся в опорный торцовый бурт на корпусе насоса и образованную соединенными в общий блок ступенями, состоящими из секций, рабочих колес и лопаточных, кроме последнего, направляющих аппаратов, направляющий аппарат последней ступени имеет трубчатую конструкцию, совмещен с последней секцией, по торцовой поверхности, со стороны напорной крышки насоса, трубчатый направляющий аппарат (ТНА) последней ступени упирается в пружинные узлы, состоящие из винтовых цилиндрических пружин, пружинные узлы расположены в глухих отверстиях напорной крышки, отличается тем, что пружинные узлы расположены в глухих отверстиях на торцовой поверхности ТНА последней ступени со стороны напорной крышки насоса и упираются в торцовую поверхность напорной крышки, пружинные узлы состоят их пакетов тарельчатых пружин, причем последняя ступень насоса выполнена с коэффициентом быстроходности в диапазоне n_S=60…120, при этом отношение диаметра входа в цилиндрические каналы ТНА к наружному диаметру рабочего колеса (D3/D2) варьируется в пределах 1,02…1,04, цилиндрический участок канала ТНА с диаметром d₀ и длиной L, связан отношением L₀/d₀=0,7…1,0, отношение диаметра выхода из каналов ТНА направляющего аппарата к наружному диаметру рабочего колеса (D4/D2) варьируется в пределах 1,7…2,1, а значения угла диффузорности конических отверстий в ТНА находится в диапазоне α_диф=4…5°, отношение площадей выходного и входного сечений конических отверстий в ТНА варьируется в пределах 2,2…2,6. 2 ил.

Многоступенчатый центробежный насос, содержащий корпус с опорным торцовым буртом, напорную крышку, проточную часть, упирающуюся в опорный торцовый бурт на корпусе насоса и образованную соединенными в общий блок ступенями, состоящими из секций, рабочих колес и лопаточных, кроме последнего, направляющих аппаратов, направляющий аппарат последней ступени имеет трубчатую конструкцию, совмещен с последней секцией, по торцовой поверхности, со стороны напорной крышки насоса, трубчатый направляющий аппарат (ТНА) последней ступени упирается в пружинные узлы, состоящие из винтовых цилиндрических пружин, пружинные узлы расположены в глухих отверстиях напорной крышки, отличающийся тем, что пружинные узлы расположены в глухих отверстиях на торцовой поверхности ТНА последней ступени со стороны напорной крышки насоса и упираются в торцовую поверхность напорной крышки, пружинные узлы состоят их пакетов тарельчатых пружин, причем последняя ступень насоса выполнена с коэффициентом быстроходности в диапазоне n_S=60…120, при этом отношение диаметра входа в цилиндрические каналы ТНА к наружному диаметру рабочего колеса (D3/D2) варьируется в пределах 1,02…1,04, цилиндрический участок канала ТНА с диаметром d₀ и длиной L₀ связан отношением L₀/d₀=0,7…1,0, отношение диаметра выхода из каналов ТНА направляющего аппарата к наружному диаметру рабочего колеса (D4/D2) варьируется в пределах 1,7…2,1, а значения угла диффузорности конических отверстий в ТНА находится в диапазоне α_диф=4…5°, отношение площадей выходного и входного сечений конических отверстий в ТНА варьируется в пределах 2,2…2,6.